高分子與軟物質結構

半結晶高分子(semicrystalline polymer)

因為高分子糾纏的鏈永遠無法全部對齊,可結晶高分子會凍結成一種二合一材料:微小的晶體嵌在無序鏈的海洋裡,個別分子從一個區域穿進另一個區域。這種混合狀態——部分有序、部分無序,共存於同一固體中——就是我們所說的半結晶高分子。它不是帶少許瑕疵的晶體,也不是含少許晶體的非晶固體;它是兩相在奈米尺度上交織而成的真正複合體。

標準圖像是一疊薄薄的鏈折疊結晶片晶(每片或許 10 到 20 nm 厚),中間隔著糾纏鏈的薄非晶層。關鍵特徵是:單一長鏈不會待在一處,它可以穿過一片結晶片晶、鑽進非晶層、遊蕩一陣、再進入下一片片晶,於是鏈把晶體實體地縫在一起。橫跨非晶間隙、從一個晶體連到下一個晶體的鏈稱為繫鏈(tie molecule),它們在硬晶體之間傳遞負載。非晶層是橡膠態還是玻璃態取決於溫度:在玻璃轉化溫度(Tg)以上它柔軟可動,在 Tg 以下則是剛硬的玻璃。所以半結晶高分子其實有兩個結構轉變溫度——非晶部分的玻璃轉化、與結晶部分的熔點。

這種兩相構造正是半結晶塑膠如此好用的原因:剛硬的結晶片晶提供強度、模數、耐熱與耐化學性,而非晶繫鏈及其纏結提供韌性、抗衝擊、以及能拉伸而不碎裂的能力。把平衡調好,你就得到聚乙烯、聚丙烯、PET、尼龍——纖維、瓶子、薄膜、工程零件的主力塑膠。它也解釋了它們乳白半透明的外觀:結晶區與非晶區有不同的密度與折射率,所以光在它們的邊界、以及片晶所建成的球晶處散射。

拉一片半結晶聚乙烯,它在斷裂前會頸縮並發白:結晶片晶被拉開、重新取向,同時橋接它們的繫鏈被拉緊、承受負載。硬晶體與承載非晶繫鏈的這種協同——單相材料辦不到——正是這些塑膠既硬挺又堅韌的原因。

半結晶高分子是兩相固體:結晶片晶加上非晶繫鏈區,由共用的鏈縫合在一起。

半結晶不是帶缺陷的非晶、也不是帶缺陷的晶體:它是兩個真正共存的相。這正是為什麼這種高分子會在不同溫度分別顯示玻璃轉化(非晶部分)與熔點(結晶部分)。

又称
semi-crystalline polymerpartially crystalline polymer半結晶聚合物部分結晶高分子